【正文】 制技術(shù)。 激光焊接是一種高能束流焊接，擁有傳統(tǒng)焊接方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，例如激光束能量高，比其他方法高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，焊接速度快，加工 生產(chǎn)率高，激光光斑直徑小，熱量控制精確，容易形成大而長的焊縫，焊接晶粒小，因而焊接質(zhì)量高，并且激光容易控制，可以安裝在機(jī)器人和機(jī)床上去，可以實(shí)現(xiàn)焊接設(shè)備的自動(dòng)化 [1]。 由于航空 航天 ，汽車制造及造船等行業(yè)的筋壁板通常采用 T 型接頭結(jié)構(gòu) ， 而傳統(tǒng)的制造工藝多采用鉚接工藝。一般多采用后者，因?yàn)榉止馐降膬墒す夤β蕝?shù)可控，可以做到功率大小相等，起焊停焊同步控制，以保證焊接工藝性。 針對(duì)激光焊接過程中由焊接熱應(yīng)力、裝夾定位誤差、制造誤差等引起的焊接變形，國外還有多家科研機(jī)構(gòu)和單位致力于此，英國的 META 公司和加拿大的 ServoRobot公司已經(jīng)有針對(duì)于焊縫檢測并實(shí)現(xiàn)跟蹤的專用產(chǎn)品， META 公司的 Laser Pilot 可以廣泛地適用于焊接生產(chǎn)中， 如集裝箱、鐵路、造船、汽車、航空航天等領(lǐng)域。 國內(nèi)激光焊接研究現(xiàn)狀 二十多年來激光焊接技術(shù)的發(fā)展，焊接工藝對(duì)激光焊接設(shè)備的要求也不斷提高，也促使更先進(jìn)的激光焊接設(shè)備的研發(fā)，上述文獻(xiàn)可以看到國外的激光焊接控制系統(tǒng)和焊縫跟蹤補(bǔ)償技術(shù)已經(jīng)十分先進(jìn)，由此生產(chǎn)的工件質(zhì)量也越來越高，特別是航空航天等涉及國防安全的領(lǐng)域，已經(jīng)讓國內(nèi)同行業(yè)人員有了高度的緊迫感，研發(fā)搞精度的控制系統(tǒng)和焊縫跟蹤補(bǔ)償系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。二是多用于焊接機(jī)器人的開發(fā)，多采用示教的焊接方式，自動(dòng)化程度低，針對(duì)焊縫跟蹤系 統(tǒng)的集成度較低。 （ 4）三維焊縫軌跡的測量 基于高精度的焊縫檢測傳感器（英國 Meta 公司的焊縫檢測與跟蹤系統(tǒng)）對(duì)焊縫 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 8 進(jìn)行測量，獲取三維焊縫的軌跡信息 ，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償技術(shù) 。 第六章做了總結(jié)與展望，對(duì)本文研究內(nèi)容做了總結(jié)，并對(duì)研究需要進(jìn)一步優(yōu)化的地方作出展望，為以后的研究提供方向。每個(gè)底座內(nèi)裝有一根長行程的齒條和兩根直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上架有橫梁， X 軸的兩個(gè)減速器安裝在橫梁的兩側(cè)箱體內(nèi) ； ③ 橫梁上同時(shí)有 Y 軸兩根直線導(dǎo)軌， Y 軸采用導(dǎo)軌絲杠傳動(dòng)，伺服電機(jī)通過絲杠的傳動(dòng)使 Y 軸沿著直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng) ； ④ 機(jī)床滑枕 為機(jī)床的 Z 向， 通過絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)、直線導(dǎo)軌導(dǎo)向， Z 向沿著滑枕的直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。 針對(duì)以上 三維 T 型焊縫較一般焊縫的加工難點(diǎn) ，為了 加工路徑實(shí)施中焊接姿態(tài)的適時(shí)調(diào)整， 提出了以下 T 型接頭雙 側(cè) 焊接約束分析 ， 具體來說： ⑴ 光束激光焊接的兩條激光束均位于三維焊縫曲線的法平面內(nèi)。 C軸回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 7 帶動(dòng)下方的 AB 軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)中心位于圖示 8， C 軸與機(jī)床滑枕連接 [25]。如圖 方案二 所示。 針對(duì)這些技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)控制系統(tǒng)技術(shù)內(nèi)容的分析有如下幾點(diǎn)： (1) 實(shí)現(xiàn) XYZ 坐標(biāo)軸的單獨(dú) 高速高精 直 線運(yùn)動(dòng)， ABC 三旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) (2) 實(shí)現(xiàn) XYZ 三直線軸的速度、位置精確控制， XY 軸最高速度 20m/s， Z 軸最高速度 10m/s，三軸定位精度 ，重復(fù)定位精度 。 針對(duì) 本焊接跟蹤平臺(tái)特殊功能要求定制開發(fā)， 最終方案 采用由 UMAC 運(yùn)動(dòng)控制器和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成的開放式數(shù)控系統(tǒng)。 PMAC 運(yùn)動(dòng)控制器聽過以太網(wǎng)接口和工控機(jī)通信。 圖 上位機(jī) NODKA（諾達(dá)）工業(yè)平板 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 18 本控制系統(tǒng)采用 NODKA（諾達(dá)）公司的工 業(yè)平板，型號(hào)為 TPC60008192T，主要參數(shù)為： 178。 PMAC 運(yùn)動(dòng)控制器 發(fā)出的焊接運(yùn)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)放大單元的放大后，驅(qū)動(dòng) 機(jī)床結(jié)構(gòu)完成三維焊接 。 5) 工作 M 代碼顯示區(qū)。 2) 1) 3) 4) 7) 6) 5) 11) 9) 8) 10) 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 20 11) 加工模式信息區(qū)，顯示加工程序名、程序狀態(tài)、系統(tǒng)狀態(tài)、加工模式、工作模式、程序進(jìn)度、系統(tǒng)時(shí)間。數(shù)控機(jī) 機(jī)床界面 參數(shù)界面 程序界面 診斷界面 圖 上位機(jī)軟件一級(jí)菜單界面 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 21 床有手動(dòng)、自動(dòng)兩種工作方式。 “ 診斷 ” 界面提供機(jī)床輸入、輸出，激光器輸入、輸出，電機(jī)狀態(tài)、故障信息記錄六大主功能。 UMAC 可同時(shí)運(yùn)行 64 個(gè) PLC 程序， PLC 邏輯控制功能強(qiáng)大，通過編程能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 基于對(duì)象的前饋控制如 圖 所示。 仿真證明，對(duì)于本控制系統(tǒng)，二極點(diǎn)陷波濾波器能夠很好衰減 位于陷波頻率處的信號(hào)。但是由于恒加速度控制在啟停的瞬間存在加速度的 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 29 突變 ，對(duì)高精度機(jī)床有沖擊；在要求加減速較高的場合，加速時(shí)間長，不能滿足要求。 Frax (X,Y,Z)命令指定矢量進(jìn)給率 (速率 ) 計(jì)算中所使用的軸 ,包含在內(nèi)。 多軸線性插補(bǔ) 混合模式與非混合模式 多軸運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)中，如果多個(gè)運(yùn)動(dòng)指令連續(xù)給出，中間沒有給出具體的插值，那么每個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)從第一條指令向第二條指令平滑的過渡，從第一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度向第二點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)以給定的加速度值或者 S 曲線加速度值來過渡。 高精度位置控制實(shí)現(xiàn) PID + Feedforward + Notch Filter 位置控制技術(shù) ，是將 PID 控制 ()PGs、Feedforward 前饋控制器 ()FGs、 陷波濾波器 ()NGs、反饋函數(shù) ()Hs按照 框圖 所示[32]所構(gòu)成的位置環(huán)控制器，其傳遞函數(shù)為： 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 27 ( ( ) ( ) ) ( )() 1 ( ) ( ) ( )?? ? F P NP N FG s G s G sGs G s G s H s K pKv f f ( 1 z 1)Ka f f ( 1 2 z 1+ z 2)Ki1 z 11 + n1z 1+ n2z 21 + d1z 1+ d2z 2R e f e r e n c eP o s i t i o nKd1 z 1+++++P o s i t i o n L o o p F e e d b a c kD e a d b a n dO u t t o D A CN o t c h f i l t e r????++ 圖 PID + Feedforward + Notch Filter 位置控制技術(shù) 用 英國 RENISHAW 公司激光干涉儀 對(duì)單軸的定位 精度、重復(fù)定位精度經(jīng)行測量， Z軸測量結(jié)果為定位精度 ，重復(fù)定位精度 ，該結(jié)果對(duì)于大跨度長行程的重型機(jī)床做到了高精度位置控制。 則上圖中的指令傳 遞函數(shù)可以寫為： ( ( ) ( ) ) ( ) ( )()() ( ) 1 ( ) ( ) ( ) ( )??? ? F C P C PC P C P FG s G s G s G sRsTs C s G s G s G s H s 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 25 假定功率變化器 GPC(s)和 H(s)是反饋 原件都是理想的，由于指令響應(yīng)為 ()Ts=1（假設(shè)實(shí)際響應(yīng)等于指令輸入），則： 1 ( ) ( ) ( ( ) ( ) ) ( )? ? ?C P F C PG s G s G s G s G s 上式成立則， 得： ()FGs= 1()?PGs 由此可 知 ，前饋 ()PGs實(shí)際上等于控制對(duì)象 ()FGs的逆，即前饋控制器可以補(bǔ)償控制對(duì)象帶來的響應(yīng)滯后， 速度前饋和 加速度前饋能對(duì)位置指令輸入 M(s)有更快速的響應(yīng)，當(dāng)位置指令輸入 M(s)發(fā)生變化，其對(duì)應(yīng)的一階微分（速度）和二階微分（加速度）會(huì)直接前饋（ Feedforward）到控制律輸出端，從而加快速度響應(yīng)和加速度響應(yīng)。 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 23 3 三維激光焊接的十軸六聯(lián)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)控制 策略與運(yùn)動(dòng)學(xué)算法 高精度 PID+Feedforward+Notch Filter 位置 控制技術(shù) 六聯(lián)動(dòng)平臺(tái)的多軸運(yùn)動(dòng)控制 平臺(tái)，采用開放式運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)架，運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)由驅(qū)動(dòng)器放大，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。進(jìn)入到診斷界面后，右側(cè)豎向按鈕欄出現(xiàn)“機(jī)床輸入”、“機(jī)床輸出”、“激光 器輸入”、“激光器輸出”、“電機(jī)狀態(tài)”、“故障信息”六個(gè)子菜單 。點(diǎn)擊“手動(dòng)”按鈕，可以在手動(dòng)模式下，人工操作移動(dòng)機(jī)床的各個(gè)軸，如果當(dāng)前軸正處于回零中，那么它將使回零停止。 ? 系統(tǒng)狀態(tài)：系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)，有“正?！焙汀俺鲥e(cuò)”兩種狀態(tài)。 7) 程序運(yùn)行狀態(tài)區(qū)，顯示數(shù)控加工 G 代碼的當(dāng)前運(yùn)行行號(hào)、進(jìn)給修調(diào) 、進(jìn)給速度 F。 W i n d o w s 系 統(tǒng) 通 訊 庫機(jī)床初始化參數(shù)界面診斷界面顯示切換程序界面示教界面運(yùn) 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng)參數(shù)初始化狀態(tài)掃描模塊程序代碼解釋邏輯控制模塊多軸運(yùn)動(dòng)控制 圖 軟件平臺(tái)構(gòu)架 系統(tǒng)上位機(jī)控制軟件是在 WindowsXP操作系統(tǒng)下， 在 Visual C++ ，基于 MFC的 C++開發(fā)的人機(jī)交互程序 [27~28]， 利用 UMAC 提供的 動(dòng)態(tài)鏈接庫 函數(shù)庫， 與下位機(jī) PMAC實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)，構(gòu)成上下位機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺(tái) ， 通 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 19 過 Modbus協(xié)議 二者進(jìn)行通信 [29]，實(shí)現(xiàn) 數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的 基本的功能。 2個(gè) Intel82583V 10/100/1000Mbps 網(wǎng)絡(luò)接口 178。 工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 市場 正在 發(fā)生著巨大變化， 隨著工業(yè)應(yīng)用環(huán)境的不斷變化，開發(fā)人員對(duì)工控機(jī)的 穩(wěn)定性追求越來越高，同時(shí)開發(fā)人員 開始傾向于人性化 程度高 的觸控 級(jí) 平板電腦。六聯(lián)動(dòng)三維焊接及跟蹤補(bǔ)償控制系統(tǒng)構(gòu)架如圖 ： 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 15 工 業(yè)計(jì) 算 機(jī)機(jī) 床操 作 I / O以 太 網(wǎng) 交 換 機(jī)M O D B U S接 口 板運(yùn) 動(dòng) 控 制運(yùn)動(dòng)控制器電 源 輸 入C P U 通 信 模 塊軸 控 板 1 軸 控 板 2X軸伺服驅(qū)動(dòng)1X軸伺服驅(qū)動(dòng)2Y軸伺服驅(qū)動(dòng)Z軸伺服驅(qū)動(dòng)P L C機(jī) 床 本 體各軸光柵尺A軸伺服驅(qū)動(dòng)B軸伺服驅(qū)動(dòng)C軸伺服驅(qū)動(dòng)各 軸電 機(jī) 圖 六聯(lián)動(dòng)三維焊接及跟蹤補(bǔ)償控制系統(tǒng)構(gòu)架圖 開放式運(yùn)動(dòng)控制器 本系統(tǒng)采用 開放式運(yùn)動(dòng)控制器 PMAC(Programmable MultiAxis Controller)， 有著廣泛的應(yīng)用場合 , 從微小的精密控制到幾百千瓦的功率控制 ： 裝配線 、 物流輸送 、 照相控制 、 硅片處理 、激光焊接等等 行業(yè) PMAC 具有強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制特性 、伺服特性、換向特性、內(nèi)置 PLC 等功能 如下 表所列： 華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 16 表 2. 2 PMAC 開放運(yùn)動(dòng)控制器特性列表 運(yùn)動(dòng)控制特性 伺服特性 其他特性 ? 支持 S曲線加減速的直線插補(bǔ)； ? 獨(dú)立的數(shù)字 PID 反饋濾波； ? 換向特性 ? 支持 S曲線加減速的圓弧插補(bǔ)； ? 速度前饋，加速度前饋，摩擦前饋； ? 補(bǔ)償特性 ? 三次樣條插補(bǔ)模式 spline； ? 2路陷波濾波器；低通濾波器； ? 安全特性 ? 三次隱式樣條插補(bǔ)Hermitespline (PVT)； ? PID 參數(shù)可隨時(shí)任意改變； ? 內(nèi) 置 PLC 模塊 ? 自動(dòng)硬件捕捉 /觸發(fā)功能； ? 可編程的極限輸入，輸出； ? 支持多種反饋 形式 ? 交互式手動(dòng)運(yùn)動(dòng)（ JOG）； ? 可選擇的極點(diǎn)配置擴(kuò)展伺服 算法； ? 實(shí)時(shí)多任務(wù)系 統(tǒng) ? 運(yùn)動(dòng)前瞻控制（ lookahead） ? 支持用戶定義伺服算法。 (3) X 軸兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)能在速度和位置上實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)控制。 T 型接頭兩側(cè)同時(shí)焊接，且要求兩束激光參數(shù)完全相